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2022诺奖 | 新量子时代!

2022-10-04 23:20     来源:原理     原子核粒子物理

在量子世界中,两个“纠缠”的粒子,无论被分隔到多么遥远,都可以保持联系,并瞬时共享它们的物理状态。爱因斯坦曾将这种神秘的现象称之为“鬼魅般的超距作用”。

今年的诺贝尔物理学奖的三位获奖人Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger各自利用纠缠量子态进行了开创性的实验。他们的研究结果为目前为基于量子信息的新技术奠定了基础。

贝尔不等式

现如今,与量子力学的应用有关的研究领域已经变得非常庞大,这包括量子计算机、量子网络,以及安全的量子加密通信。这一进展的一个关键便是,量子力学允许两个或多个粒子处于纠缠态中。

在很长一段时间里,物理学家都在思考,这种相关性是否与纠缠对中的粒子包含隐变量有关。所谓隐变量,指的是能告诉它们在实验中应该给出什么结果的指令。

20世纪60年代,约翰·贝尔(John Stewart Bell)提出了以他的名字命名的数学不等式。这个不等式表明,如果存在隐变量,那么大量测量结果之间的相关性,将永远不会超过某个值。然而,量子力学预测,某种类型的实验将违反贝尔不等式,从而产生比其他情况更强的相关性。

量子力学的纠缠对可以比作一台机器,它向着相反方向抛出反色的球。当鲍勃抓到一颗球,并看到它是黑色的时,他就立刻知道爱丽丝抓到了一颗白色的球。在一种使用隐变量的理论中,这些球总会包含着关于颜色的隐藏信息。但是,量子力学认为,这些球都是灰色的,直到有人看到它们时,其中一颗会随机变成白色,另外一颗则变成黑色。贝尔不等式表明,有一些实验能够区分这些情况。这类实验已经证明了,量子力学的描述才是正确的。

开创性的实验

Clauser延续了贝尔的想法,并进行了一项实际的实验。当他进行测量时,结果显然违反了贝尔不等式,从而支持了量子力学。这意味一个使用隐变量的理论无法取代量子力学。

John Clauser使用钙原子,在他借助一种特殊的光照亮粒子后,钙原子可以发射纠缠光子。他在两边分别安置了一个过滤器,来测量光子的偏振。经过一系列测量,他能够证明它们违反了贝尔不等式。

在Clauser完成他的实验之后,仍然有一些漏洞存在。Aspect对装置进行了改进,从而弥补了其中的一个重要漏洞。利用他的装置,他能够在一个纠缠对离开它的源后切换测量设置,所以当它们被发射时存在的设置不会对结果产生影响。

Alain Aspect 开发了这项实验,他用一种新的方法激发原子,让它们以更高的速率发射纠缠光子。他还能够在不同设置之间切换,因此这个系统不会包含任何可能影响结果的预先信息。

通过精密的工具和一系列的实验,Zeilinger开始使用纠缠量子态。此外,他的研究小组还展示了一种被称为量子隐形传态的现象,使得在一定距离上将量子态从一个粒子移动到另一个粒子成为可能。

Anton Zeilinger后来对贝尔不等式进行了更多测试。他将激光对准一种特殊的晶体,创造了光子纠缠对,并使用随机数在测量设置之间切换。一项实验利用了来自遥远星系的信号来控制过滤器,并确保信号不会相互影响。

这些研究和实验为当前量子信息科学的密集研究奠定了基础。能够操纵和管理量子态及其属性,使我们能够发展出具有意想不到的潜力的工具。这是量子计算、量子信息的传输和存储,以及量子加密算法的基础。这些日益完善的工具使我们更加接近那些现实的应用。

第一次量子革命给我们带来了晶体管和激光,现在,在这些用来操纵纠缠粒子系统的现代工具的帮助下,我们正在进入一个新的量子信息时代。

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